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JP5566775B2 - Tape substrate for superconducting wire and superconducting wire - Google Patents

Tape substrate for superconducting wire and superconducting wire Download PDF

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JP5566775B2 JP2010117077A JP2010117077A JP5566775B2 JP 5566775 B2 JP5566775 B2 JP 5566775B2 JP 2010117077 A JP2010117077 A JP 2010117077A JP 2010117077 A JP2010117077 A JP 2010117077A JP 5566775 B2 JP5566775 B2 JP 5566775B2
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Description

本発明は、超電導ケーブルや超電導マグネットなどの超電導機器に用いられる超電導線材用のテープ基材及び超電導線材に関し、特に、金属基板上に形成される中間層の構成に関する。   The present invention relates to a tape substrate and a superconducting wire for a superconducting wire used in superconducting equipment such as a superconducting cable and a superconducting magnet, and more particularly to a configuration of an intermediate layer formed on a metal substrate.

従来、液体窒素温度(77K)以上で超電導を示す高温超電導体の一種として、RE系超電導体(RE:希土類元素)が知られている。特に、化学式YBaCu7−yで表されるイットリウム系超電導体(以下、Y系超電導体又はYBCO)が代表的である。
Y系超電導体を用いた超電導線材(以下、Y系超電導線材)は、一般に、テープ状の金属基板上に中間層、Y系超電導体からなる層(以下、Y系超電導層)、安定化層が順に形成された積層構造を有している。このY系超電導線材は、例えば、低磁性の無配向金属基板(例えば、ハステロイ(登録商標))上に2軸配向した中間層を成膜し、この中間層上に、パルスレーザ蒸着法(PLD:Pulsed Laser Deposition)や有機金属気相成長法(MOCVD:Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等でY系超電導層を成膜することにより製造される。以下において、金属基板と中間層で構成される長尺のテープ基材を、超電導線材用テープ基材と称する。
Conventionally, RE-based superconductors (RE: rare earth elements) are known as a type of high-temperature superconductor that exhibits superconductivity at a liquid nitrogen temperature (77 K) or higher. In particular, an yttrium-based superconductor represented by the chemical formula YBa 2 Cu 3 O 7-y (hereinafter, Y-based superconductor or YBCO) is representative.
A superconducting wire using a Y-based superconductor (hereinafter referred to as a Y-based superconducting wire) is generally an intermediate layer on a tape-shaped metal substrate, a layer composed of a Y-based superconductor (hereinafter referred to as a Y-based superconducting layer), a stabilization layer. Have a laminated structure formed in order. This Y-based superconducting wire is formed, for example, by forming a biaxially oriented intermediate layer on a low-magnetic non-oriented metal substrate (for example, Hastelloy (registered trademark)), and on this intermediate layer, a pulse laser deposition method (PLD). : Pulsed Laser Deposition), MOCVD: Metal Organic Chemical Vapor Deposition (MOCVD), etc., to produce a Y-based superconducting layer. Below, the long tape base material comprised with a metal substrate and an intermediate | middle layer is called the tape base material for superconducting wires.

このような超電導線材における通電特性は、その超電導体の結晶方位、特に2軸配向性に大きく依存することが知られている。したがって、高い2軸配向性を有する超電導層を得るためには、下地となる中間層の結晶性を向上させる必要がある。その方法の一つとして、イオンビームアシスト蒸着法(IBAD:Ion Beam Assisted Deposition)がある(例えば特許文献1、2)。IBAD法とは、成膜面に対して斜め方向からアシストイオンビームを照射しながら、蒸着源からの蒸着粒子を成膜面に堆積させて配向層を成膜する方法である。IBAD法においては、薄膜で高い2軸配向性が得られることから、岩塩型であるMgOが蒸着源として用いられ、開発の主流となっている。以下において、IBAD法により成膜したMgO層をIBAD−MgO層と称する。   It is known that the current-carrying characteristics of such a superconducting wire greatly depend on the crystal orientation of the superconductor, particularly the biaxial orientation. Therefore, in order to obtain a superconducting layer having high biaxial orientation, it is necessary to improve the crystallinity of the intermediate layer serving as a base. One of the methods is ion beam assisted deposition (IBAD) (for example, Patent Documents 1 and 2). The IBAD method is a method in which an alignment layer is formed by depositing vapor deposition particles from a vapor deposition source on a film formation surface while irradiating an assist ion beam obliquely with respect to the film formation surface. In the IBAD method, since high biaxial orientation is obtained with a thin film, MgO, which is a rock salt type, is used as a vapor deposition source and has become the mainstream of development. Hereinafter, the MgO layer formed by the IBAD method is referred to as an IBAD-MgO layer.

IBAD−MgO層において高い2軸配向性を実現するためには、下地の平滑性及びMgOとの低反応性が要求される。そのため、IBAD−MgO層の直下にはIBAD−MgOの配向を促す酸化イットリウム(Y)やGZO(GdZr)等のアモルファス状に成膜可能な物質からなるベッド層が形成される。
一方で、超電導線材において高い通電特性を得るためには、金属基板からのカチオン(Ni、Mo、Mn等)の拡散が超電導層に及ばないようにする必要がある。そのため、一般には、ベッド層と金属基板の間に酸化アルミニウム(Al)、GZO、YSZ(イットリウム安定化ジルコニア)、酸化クロム(Cr)等の物質からなるバリア層(拡散抑制層)が介在される。
また、大気と反応しやすいIBAD−MgO層を保護するとともに、超電導層(例えばYBCO)との格子整合性を高めるために、IBAD−MgO層上にはCeO等からなるキャップ層が形成される。
In order to realize high biaxial orientation in the IBAD-MgO layer, the undercoat smoothness and low reactivity with MgO are required. Therefore, immediately below the IBAD-MgO layer, there is a bed layer made of a material capable of forming an amorphous film such as yttrium oxide (Y 2 O 3 ) or GZO (Gd 2 Zr 2 O 7 ) that promotes the orientation of IBAD-MgO. It is formed.
On the other hand, in order to obtain high current-carrying characteristics in the superconducting wire, it is necessary to prevent the diffusion of cations (Ni, Mo, Mn, etc.) from the metal substrate to the superconducting layer. Therefore, in general, a barrier layer (diffusion suppression) made of a material such as aluminum oxide (Al 2 O 3 ), GZO, YSZ (yttrium stabilized zirconia), chromium oxide (Cr 2 O 3 ) between the bed layer and the metal substrate. Layer) is interposed.
In addition, a cap layer made of CeO 2 or the like is formed on the IBAD-MgO layer in order to protect the IBAD-MgO layer that easily reacts with the atmosphere and to enhance lattice matching with the superconducting layer (for example, YBCO). .

上述したように、GZOはIBAD−MgOの配向を促すことができる上、バリア層としても機能するため、ベッド層の構成材料として有望である。特許文献3には、CeOキャップ層/IBAD−MgO配向層/GZOベッド層/金属基板という積層構造を有する超電導線材用テープ基材が開示されている。 As described above, GZO can promote the orientation of IBAD-MgO and also functions as a barrier layer. Therefore, GZO is promising as a constituent material of the bed layer. Patent Document 3 discloses a tape substrate for a superconducting wire having a laminated structure of CeO 2 cap layer / IBAD-MgO alignment layer / GZO bed layer / metal substrate.

特開平4−331795号公報Japanese Patent Laid-Open No. 4-331895 特開2007−532775号公報JP 2007-532775 A 特開2010−86666号公報JP 2010-86666 A

しかしながら、GZOベッド層は基板表面層を形成するための熱処理によって結晶化することがあり、この場合、IBAD−MgO層の配向を促進させる機能が損なわれるため、配向度が低下する原因となる(下地がアモルファス状である方がIBAD−MgO層は配向しやすい)。そして、IBAD−MgO層の配向度が低下すると、超電導線材において高い通電特性が得られなくなる。例えば、熱処理を行わずにGZOベッド層の上にIBAD−MgO層を形成した場合に配向度Δφが6°であったのに対して、熱処理を行った後にIBAD−MgO層を形成した場合には配向度Δφが7°に低下するという実験結果が得られている。   However, the GZO bed layer may be crystallized by heat treatment for forming the substrate surface layer, and in this case, the function of promoting the orientation of the IBAD-MgO layer is impaired, which causes a decrease in the degree of orientation ( If the base is amorphous, the IBAD-MgO layer is easier to align). When the degree of orientation of the IBAD-MgO layer is reduced, high current conduction characteristics cannot be obtained in the superconducting wire. For example, when the IBAD-MgO layer is formed on the GZO bed layer without heat treatment, the orientation degree Δφ is 6 °, whereas when the IBAD-MgO layer is formed after heat treatment. Experimental results show that the degree of orientation Δφ decreases to 7 °.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、超電導線材の通電特性の向上を図ることができる技術を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a technique capable of improving the current-carrying characteristics of a superconducting wire.

請求項1に記載の発明は、金属基板と、
前記金属基板上に形成されるネソケイ酸塩からなるベッド層と、
前記ベッド層上に、イオンビームアシスト蒸着法により形成される配向層と、を備え
前記金属基板と前記ベッド層の界面に、前記金属基板の構成元素の酸化物からなる基板表面層が形成されていることを特徴とする超電導線材用テープ基材である。
The invention according to claim 1 is a metal substrate;
A bed layer made of nesosilicate formed on the metal substrate;
An alignment layer formed by ion beam assisted deposition on the bed layer ,
A tape base material for a superconducting wire , wherein a substrate surface layer made of an oxide of a constituent element of the metal substrate is formed at an interface between the metal substrate and the bed layer .

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の超電導線材用テープ基材において、前記ベッド層が、前記配向層の成膜工程で表面がアモルファス状となることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the tape substrate for a superconducting wire according to the first aspect, the bed layer has an amorphous surface in the film forming step of the alignment layer.

請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の超電導線材用テープ基材において、前記基板表面層は、前記ベッド層を形成した後に所定の熱処理を施すことによ形成されていることを特徴とする。 The invention according to claim 3, in superconducting wire tape substrate according to claim 1 or 2, wherein the substrate surface layer, I Ri is formed is subjected to predetermined heat treatment after forming the bed layer It is characterized by being.

請求項4に記載の発明は、請求項1から3の何れか一項に記載の超電導線材用テープ基材において、前記ベッド層の膜厚が、10〜500nmであることを特徴とする。   The invention according to claim 4 is the tape substrate for a superconducting wire according to any one of claims 1 to 3, wherein the bed layer has a thickness of 10 to 500 nm.

請求項5に記載の発明は、請求項1から4の何れか一項に記載の超電導線材用テープ基材において、前記ベッド層が、ZrSiO、HfSiO、ThSiO、又はUSiOで構成されることを特徴とする。 The invention according to claim 5 is the tape substrate for a superconducting wire according to any one of claims 1 to 4, wherein the bed layer is composed of ZrSiO 4 , HfSiO 4 , ThSiO 4 , or USiO 4. It is characterized by that.

請求項6に記載の発明は、請求項1から5の何れか一項に記載の超電導線材用テープ基材において、前記配向層が、MgO、GZO、CeO、YSZ、又はNbOで構成されることを特徴とする。 Invention according to claim 6, configured in a superconducting wire tape base material according to any one of claims 1 to 5, wherein the alignment layer, MgO, GZO, CeO 2, YSZ, or NbO It is characterized by that.

請求項7に記載の発明は、請求項1から6のいずれか一項に記載の超電導線材用テープ基材において、前記配向層上に形成されるキャップ層を有することを特徴とする。   A seventh aspect of the present invention is the tape substrate for a superconducting wire according to any one of the first to sixth aspects, further comprising a cap layer formed on the alignment layer.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の超電導線材用テープ基材において、前記キャップ層は、CeO、YSZ、LaMnO、又はSrTiOで構成されることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is the tape substrate for a superconducting wire according to claim 7, wherein the cap layer is made of CeO 2 , YSZ, LaMnO 3 , or SrTiO 3 .

請求項9に記載の発明は、請求項1から8のいずれか一項に記載の超電導線材用テープ基材の表面に、超電導層を形成してなる超電導線材である。   The invention according to claim 9 is a superconducting wire formed by forming a superconducting layer on the surface of the tape substrate for superconducting wire according to any one of claims 1 to 8.

本発明によれば、ネソケイ酸塩は配向層の成膜工程において表面がアモルファス状となるので、ネソケイ酸塩からなるベッド層上に形成される配向層の配向度が高くなる。したがって、超電導線材の通電特性の向上を図ることができる。   According to the present invention, since the surface of nesosilicate becomes amorphous in the step of forming the alignment layer, the degree of alignment of the alignment layer formed on the bed layer made of nesosilicate increases. Therefore, it is possible to improve the energization characteristics of the superconducting wire.

実施形態に係る超電導線材の積層構造を示す図である。It is a figure which shows the laminated structure of the superconducting wire which concerns on embodiment. 実施形態に係る超電導線材用テープ基材の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the tape base material for superconducting wires which concerns on embodiment. 実施形態に係る超電導線材用テープ基材の製造工程を示す図である。It is a figure which shows the manufacturing process of the tape base material for superconducting wires which concerns on embodiment.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る超電導線材1の積層構造を示す図である。
図1に示すように、Y系超電導線材1は、テープ状の金属基板10上に中間層20、超電導層30、安定化層40が順に形成された積層構造を有している。図1におけるテープ状の金属基板10と中間層20が、本発明に係る超電導線材用テープ基材2を構成する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
FIG. 1 is a view showing a laminated structure of a superconducting wire 1 according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, the Y-based superconducting wire 1 has a laminated structure in which an intermediate layer 20, a superconducting layer 30, and a stabilizing layer 40 are sequentially formed on a tape-like metal substrate 10. The tape-shaped metal substrate 10 and the intermediate layer 20 in FIG. 1 constitute the superconducting wire tape base material 2 according to the present invention.

本実施形態において、金属基板10は、低磁性の無配向金属基板(例えばハステロイ(登録商標))である。中間層20は、ベッド層及び配向層を有し、超電導層30において高い2軸配向性を実現するために形成される。超電導層30は、Y系超電導体からなるY系超電導層であり、例えばMOCVD法により成膜される。超電導層30の上面には、例えばスパッタ法により銀からなる安定化層40が成膜されている。   In the present embodiment, the metal substrate 10 is a low-magnetic non-oriented metal substrate (for example, Hastelloy (registered trademark)). The intermediate layer 20 includes a bed layer and an alignment layer, and is formed in order to achieve high biaxial alignment in the superconducting layer 30. The superconducting layer 30 is a Y-based superconducting layer made of a Y-based superconductor, and is formed by, for example, the MOCVD method. On the upper surface of the superconducting layer 30, a stabilizing layer 40 made of silver is formed by sputtering, for example.

図2は、本実施形態に係る超電導線材用テープ基材2の構造を示す図である。また、超電導線材用テープ基材2の成膜工程を図3に示す。
図2に示すように、中間層20は、ベッド層21、配向層22、キャップ層23を備えて構成されている。
FIG. 2 is a view showing the structure of the superconducting wire tape base material 2 according to this embodiment. Moreover, the film-forming process of the tape base material 2 for superconducting wires is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the intermediate layer 20 includes a bed layer 21, an alignment layer 22, and a cap layer 23.

ベッド層21は、配向層22の配向を促すとともに、金属基板10の構成元素が拡散するのを防止するための層であり、膜厚は10〜500nmである。本実施形態では、高い酸素透過率を有するネソケイ酸塩でベッド層21を構成している。例えば、GZOの
充填率が0.68であるのに対して、ネソケイ酸塩であるZrSiOの充填率は0.63であり、酸素を透過し易い。
ベッド層21は、例えばRFスパッタ法により成膜される(図3のステップS101)。このときの成膜条件は、ベッド層21の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、RFスパッタ出力:100〜500W、線材搬送速度:10〜100m/h、成膜温度:20〜500℃とされる。
The bed layer 21 is a layer for promoting the orientation of the orientation layer 22 and preventing the constituent elements of the metal substrate 10 from diffusing, and has a thickness of 10 to 500 nm. In the present embodiment, the bed layer 21 is made of a nesosilicate having a high oxygen permeability. For example, while the filling rate of GZO is 0.68, the filling rate of ZrSiO 4 , which is a nesosilicate, is 0.63, and oxygen easily permeates.
The bed layer 21 is formed by RF sputtering, for example (step S101 in FIG. 3). The film formation conditions at this time are set as appropriate depending on the film thickness of the bed layer 21 and the like. For example, RF sputtering output: 100 to 500 W, wire conveyance speed: 10 to 100 m / h, film formation temperature: 20 to 500 ° C. It is said.

配向層22は、超電導層30の結晶を一定の方向に配向させるためのMgOからなる多結晶薄膜であり、膜厚は3.0〜10nmである。配向層22は、アシストイオンビームを成膜面に対して斜め方向から照射しながら、蒸着源(MgO)からの蒸着粒子を成膜面に堆積させるIBAD法により成膜される(図3のステップS103)。このときの成膜条件は、配向層22の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、アシストイオンビーム電圧:800〜1500V、アシストイオンビーム電流:80〜350mA、アシストイオンビーム加速電圧:200V、RFスパッタ出力:800〜1500W、線材搬送速度:80〜500m/h、成膜温度:100〜300℃とされる。   The alignment layer 22 is a polycrystalline thin film made of MgO for aligning the crystals of the superconducting layer 30 in a certain direction, and has a film thickness of 3.0 to 10 nm. The alignment layer 22 is formed by an IBAD method in which vapor deposition particles from a vapor deposition source (MgO) are deposited on the film formation surface while irradiating an assist ion beam obliquely with respect to the film formation surface (step in FIG. 3). S103). The film formation conditions at this time are appropriately set depending on the film thickness of the alignment layer 22 and the like. For example, assist ion beam voltage: 800 to 1500 V, assist ion beam current: 80 to 350 mA, assist ion beam acceleration voltage: 200 V, RF sputtering output: 800 to 1500 W, wire material conveying speed: 80 to 500 m / h, film forming temperature: 100 to 300 ° C.

キャップ層23は、配向層22を保護するとともに超電導層30との格子整合性を高めるための層で、膜厚は10〜500nmである。キャップ層23は、例えばスパッタ法により成膜される(図3のステップS104)。このときの成膜条件は、キャップ層23の膜厚等によって適宜設定されるが、例えば、RFスパッタ出力:100〜1000W、線材搬送速度:5〜50m/h、成膜温度:500〜600℃とされる。   The cap layer 23 is a layer for protecting the alignment layer 22 and improving lattice matching with the superconducting layer 30 and has a film thickness of 10 to 500 nm. The cap layer 23 is formed by sputtering, for example (step S104 in FIG. 3). The film formation conditions at this time are appropriately set depending on the film thickness of the cap layer 23 and the like. For example, RF sputtering output: 100 to 1000 W, wire material conveyance speed: 5 to 50 m / h, film formation temperature: 500 to 600 ° C. It is said.

また、超電導線材用テープ基材2においては、金属基板10とベッド層21の界面に、金属基板10の構成元素の酸化物(例えば、Cr)からなる基板表面層11が形成されている。この基板表面層11を形成することにより、超電導層30の成膜時に中間層20が剥離するのを防止できる。
基板表面層11は、金属基板10上にベッド層21を形成した後に、超電導線材用テープ基材2の全長にわたって所定の熱処理を施すことにより形成される(図3のステップS102)。このときの熱処理条件は、ベッド層21の膜厚や形成する基板表面層11の膜厚によって適宜設定される。例えば、ベッド層21の膜厚が100nmで、基板表面層11の膜厚を50nmとする場合、熱処理条件は500℃、0.5時間(線材搬送速度1.5m/h)とされる。
In the superconducting wire tape base material 2, a substrate surface layer 11 made of an oxide of a constituent element of the metal substrate 10 (for example, Cr 2 O 3 ) is formed at the interface between the metal substrate 10 and the bed layer 21. Yes. By forming the substrate surface layer 11, it is possible to prevent the intermediate layer 20 from being peeled off when the superconducting layer 30 is formed.
The substrate surface layer 11 is formed by performing a predetermined heat treatment over the entire length of the superconducting wire tape base material 2 after forming the bed layer 21 on the metal substrate 10 (step S102 in FIG. 3). The heat treatment conditions at this time are appropriately set according to the thickness of the bed layer 21 and the thickness of the substrate surface layer 11 to be formed. For example, when the thickness of the bed layer 21 is 100 nm and the thickness of the substrate surface layer 11 is 50 nm, the heat treatment conditions are 500 ° C. and 0.5 hours (wire conveyance speed 1.5 m / h).

このように、実施形態に係る超電導線材用テープ基材2は、金属基板10と、金属基板10上に形成されるネソケイ酸塩からなるベッド層21と、ベッド層21上にIBAD法により形成される配向層22とを備えている。また、ベッド層21を形成した後に所定の熱処理を施すことにより、金属基板10とベッド層21の界面に、金属基板10の構成元素の酸化物からなる基板表面層11が形成されている。   As described above, the superconducting wire tape base material 2 according to the embodiment is formed by the IBAD method on the metal substrate 10, the bed layer 21 made of nesosilicate formed on the metal substrate 10, and the bed layer 21. The alignment layer 22 is provided. Further, by performing a predetermined heat treatment after forming the bed layer 21, the substrate surface layer 11 made of an oxide of a constituent element of the metal substrate 10 is formed at the interface between the metal substrate 10 and the bed layer 21.

ネソケイ酸塩は、500℃の高温でもアモルファス状態が保持されるため、基板表面層11を形成するための熱処理工程で結晶化しにくい。仮に熱処理工程で結晶化していても、ネソケイ酸塩はイオンビームの照射によりアモルファス転移することが知られている。
これに対して、GZOでベッド層21を構成した場合、基板表面層11を形成するための熱処理工程において一部結晶化することが確認されている。また、配向層22の成膜工程でアシストイオンビームが照射され、Arイオンが成膜面に衝突すると、ベッド層の表面が結晶化することが確認されている。
すなわち、本実施形態においては、配向層22の成膜工程において、ベッド層11の表面がアモルファス状となっているので、この上に形成される配向層22の配向度が高くなる。したがって、超電導線材の通電特性の向上を図ることができる。
Since the nesosilicate is maintained in an amorphous state even at a high temperature of 500 ° C., it is difficult to crystallize in the heat treatment step for forming the substrate surface layer 11. Even if it is crystallized in the heat treatment step, it is known that nesosilicate is amorphously transferred by ion beam irradiation.
On the other hand, when the bed layer 21 is composed of GZO, it has been confirmed that the crystallization is partially performed in the heat treatment step for forming the substrate surface layer 11. Further, it has been confirmed that the surface of the bed layer is crystallized when the assist ion beam is irradiated in the film forming process of the alignment layer 22 and Ar + ions collide with the film forming surface.
That is, in this embodiment, since the surface of the bed layer 11 is amorphous in the film forming process of the alignment layer 22, the degree of alignment of the alignment layer 22 formed thereon is increased. Therefore, it is possible to improve the energization characteristics of the superconducting wire.

また、高い酸素透過率を有するネソケイ酸塩でベッド層21を構成しているので、酸素がベッド層21を通過して金属基板10に到達しやすくなる。したがって、ベッド層21の膜厚、形成する基板表面層11の膜厚、熱処理温度等の条件が同じであれば、ベッド層21をGZOで構成した場合に比較して熱処理時間を短縮(線材搬送速度を高速化)することができる。その結果、生産性が向上し、超電導線材の低コスト化を図ることができる。   In addition, since the bed layer 21 is made of nesosilicate having a high oxygen permeability, oxygen easily passes through the bed layer 21 and reaches the metal substrate 10. Therefore, if the conditions such as the thickness of the bed layer 21, the thickness of the substrate surface layer 11 to be formed, and the heat treatment temperature are the same, the heat treatment time is shortened compared to the case where the bed layer 21 is made of GZO (wire material conveyance). Speed up). As a result, productivity can be improved and cost reduction of the superconducting wire can be achieved.

なお、ベッド層21は、配向層22の成膜工程でアモルファス転移するため、基板表面層11を形成するための熱処理工程で結晶化してもよいので、熱処理温度をさらに高温とすることもできる。これにより、熱処理時間をさらに短縮することができる。   Since the bed layer 21 undergoes amorphous transition in the film formation process of the alignment layer 22 and may be crystallized in the heat treatment process for forming the substrate surface layer 11, the heat treatment temperature can be further increased. Thereby, heat processing time can further be shortened.

[実施例]
実施例では、テープ状のハステロイ基板10に、ネソケイ酸塩であるZrSiO4からなるベッド層21を膜厚8、10、50、100、200、300、500、600nmで成膜した。ベッド層21を成膜した後、500℃、0.5時間の熱処理を施すことにより基板表面層11を形成した。このとき基板表面層11の膜厚は、それぞれ400、300、120、80、50、30、10、5nmであった。
そして、ベッド層21上にMgOからなる配向層(IBAD−MgO層)22を膜厚5 nmで成膜し、その上にCeOからなるキャップ層23を膜厚200nmで成膜した。得られた超電導線材用テープ基材2に超電導層30及び安定化層40を成膜し、超電導線材1を作製した。
[Example]
In the example, the bed layer 21 made of ZrSiO4, which is a nesosilicate, was formed on the tape-shaped Hastelloy substrate 10 with a film thickness of 8, 10, 50, 100, 200, 300, 500, 600 nm. After the bed layer 21 was formed, the substrate surface layer 11 was formed by performing a heat treatment at 500 ° C. for 0.5 hour. At this time, the film thickness of the substrate surface layer 11 was 400, 300, 120, 80, 50, 30, 10, and 5 nm, respectively.
Then, an alignment layer (IBAD-MgO layer) 22 made of MgO was formed on the bed layer 21 with a film thickness of 5 nm, and a cap layer 23 made of CeO 2 was formed thereon with a film thickness of 200 nm. A superconducting layer 30 and a stabilization layer 40 were formed on the obtained tape substrate 2 for superconducting wire, and a superconducting wire 1 was produced.

ベッド層21の膜厚を10〜500nmとした場合では、超電導層30の成膜工程において、ベッド層21を何れの膜厚で成膜した場合も中間層20の剥離は観察されなかった。また、超電導層30及び中間層20をオージェ分析して、ハステロイ基板10から超電導層30へのカチオンの拡散状況を調べたところ、カチオンとして代表的なNi、Crは検出されなかった。
さらに、得られた超電導線材1について、液体窒素中における臨界電流を、4端子法により電圧定義1μV/cmとして測定した。その結果、臨界電流値は200A以上となり、良好なIc特性が得られた。
When the thickness of the bed layer 21 was 10 to 500 nm, no peeling of the intermediate layer 20 was observed in any film thickness of the bed layer 21 in the superconducting layer 30 deposition process. In addition, Auger analysis of the superconducting layer 30 and the intermediate layer 20 was performed to examine the diffusion state of cations from the Hastelloy substrate 10 to the superconducting layer 30, and as a result, representative Ni and Cr were not detected as cations.
Further, with respect to the obtained superconducting wire 1, the critical current in liquid nitrogen was measured with a voltage definition of 1 μV / cm by a four-terminal method. As a result, the critical current value was 200 A or more, and good Ic characteristics were obtained.

ベッド層21の膜厚を8nmとした場合では、超電導層30の成膜工程において中間層20の剥離は観察されなかったが、オージェ分析によりキャップ層23中に微量のNi、Crが検出された。また、得られた超電導線材1の臨界電流値は140Aであった。
ベッド層21の膜厚が8nmの場合では、ベッド層21の膜厚が薄すぎたために、照射されたArイオンがベッド層21を突き抜けたり、ベッド層21をかき回したりして、下地の金属基板10がむき出しとなってしまい、配向層22の配向を促すというベッド層の機能が損なわれたためと考えられる。
When the thickness of the bed layer 21 was 8 nm, no peeling of the intermediate layer 20 was observed in the superconducting layer 30 deposition process, but trace amounts of Ni and Cr were detected in the cap layer 23 by Auger analysis. . Moreover, the critical current value of the obtained superconducting wire 1 was 140A.
In the case where the thickness of the bed layer 21 is 8 nm, since the thickness of the bed layer 21 is too thin, the irradiated Ar + ions penetrate the bed layer 21 or stir the bed layer 21 to form the underlying metal. This is probably because the substrate 10 was exposed and the function of the bed layer to promote the orientation of the orientation layer 22 was impaired.

ベッド層21の膜厚を600nmとした場合では、超電導層30の成膜工程において中間層20の剥離が観察され、オージェ分析により超電導層30中に微量のNi、Crが検出された。また、得られた超電導線材1の臨界電流値は150Aであった。
ベッド層21の膜厚が600nmの場合では、ベッド層21の膜厚が厚すぎて酸素がベッド層21を通過しにくくなり、金属基板10への酸素供給量が減少し、基板表面層11が十分に形成されなかったため、中間層が部分的に剥離したと考えられる。すなわち、ベッド層21の膜厚が厚すぎると、ベッド層21自身の成膜時間が増大(成膜時の線材搬送速度が低下)する上、基板表面層11を形成するための熱処理時間も増大してしまうため、生産性が低下し、製造コストが増大する。さらには、ベッド層21の厚膜化に伴い、堆積した歪により線材が反ってしまう虞もある。
When the thickness of the bed layer 21 was 600 nm, peeling of the intermediate layer 20 was observed in the film forming process of the superconducting layer 30, and trace amounts of Ni and Cr were detected in the superconducting layer 30 by Auger analysis. Moreover, the critical current value of the obtained superconducting wire 1 was 150A.
When the thickness of the bed layer 21 is 600 nm, the thickness of the bed layer 21 is too thick to make it difficult for oxygen to pass through the bed layer 21, reducing the amount of oxygen supplied to the metal substrate 10, and the substrate surface layer 11. It was considered that the intermediate layer was partially peeled because it was not formed sufficiently. That is, if the thickness of the bed layer 21 is too large, the film formation time of the bed layer 21 itself increases (the wire conveyance speed during film formation decreases), and the heat treatment time for forming the substrate surface layer 11 also increases. Therefore, productivity is reduced and manufacturing costs are increased. Further, as the bed layer 21 is thickened, the wire may be warped due to accumulated strain.

実施例より、ベッド層21の膜厚を10〜500nmとすることで、生産性が著しく低下することなく、ベッド層21としても有効に機能することが確認できた。特に、ベッド層21の膜厚を50nm程度とすることが望ましい。この場合、配向層22を成膜するときにベッド層として確実に機能させることができるとともに、金属基板10への酸素供給が十分に行われるので剥離を防止するに十分な基板表面層11を効率よく形成することができる。   From the example, it was confirmed that the bed layer 21 functioned effectively as the bed layer 21 without significantly reducing the productivity by setting the thickness of the bed layer 21 to 10 to 500 nm. In particular, it is desirable that the bed layer 21 has a thickness of about 50 nm. In this case, when the alignment layer 22 is formed, it can function reliably as a bed layer, and the oxygen supply to the metal substrate 10 is sufficiently performed, so that the substrate surface layer 11 sufficient to prevent peeling is efficiently used. Can be well formed.

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、超電導線材用テープ基材2において、キャップ層23は、CeO、YSZ、LaMnO(LMO)、又はSrTiO(STO)のいずれか1種又は2種の組合せで構成することができ、又はキャップ層23を形成しない構造としてもよい。
また、配向層22は、IBAD−MgOの単層又はIBAD−MgO上にPLD法などでエピタキシャル成長させた自己配向のEpi−MgOを形成した複合層で構成することができる。
すなわち、ネソケイ酸塩であるZrSiOからなるベッド層を備えた超電導線材用テープ基材2の主な積層構造としては、表1に示す構造が考えられる。表1において、超電導線材用テープ基材2の特性と成膜工程数に着目すると、キャップ層23を備えた最も簡単な構成であるNo.1の積層構造(実施形態で示した積層構造)が最適である。
As mentioned above, although the invention made by this inventor was concretely demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to the said embodiment, It can change in the range which does not deviate from the summary.
For example, in the tape substrate 2 for a superconducting wire, the cap layer 23 can be composed of one or a combination of CeO 2 , YSZ, LaMnO 3 (LMO), or SrTiO 3 (STO), Alternatively, the cap layer 23 may not be formed.
In addition, the alignment layer 22 can be formed of a single layer of IBAD-MgO or a composite layer in which self-oriented Epi-MgO is epitaxially grown on the IBAD-MgO by the PLD method or the like.
That is, as the main laminated structure of the superconducting wire tape base material 2 provided with the bed layer made of ZrSiO 4 which is a nesosilicate, the structure shown in Table 1 can be considered. In Table 1, when attention is paid to the characteristics of the tape substrate 2 for superconducting wire and the number of film forming steps, No. 1 is the simplest configuration including the cap layer 23. The laminated structure 1 (the laminated structure shown in the embodiment) is optimal.

Figure 0005566775
Figure 0005566775

また、表1では示していないが、ベッド層21を構成するネソケイ酸塩としては、ZrSiOの他、HfSiO、ThSiO、又はUSiOを適用することができる。配向層22は、MgOの他、GZO、CeO、YSZ、又はNbOの何れかで構成することができる。金属基板10には、ハステロイ以外の無配向の金属基板、例えば、SUS304を適用することができる。 Although not shown in Table 1, as the Nesokei salt constituting the bed layer 21, other ZrSiO 4, it can be applied HfSiO 4, ThSiO 4, or USIO 4. The alignment layer 22 can be composed of any one of GZO, CeO 2 , YSZ, and NbO in addition to MgO. For the metal substrate 10, a non-oriented metal substrate other than Hastelloy, for example, SUS304 can be applied.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

10 金属基板
20 中間層
21 ベッド層(ネソケイ酸塩、ZrSiO
22 配向層(IBAD−MgO)
23 キャップ層(CeO
30 超電導層(YBCO)
40 安定化層
10 Metal substrate 20 Intermediate layer 21 Bed layer (Nesosilicate, ZrSiO 4 )
22 Alignment layer (IBAD-MgO)
23 Cap layer (CeO 2 )
30 Superconducting layer (YBCO)
40 Stabilization layer

Claims (9)

金属基板と、
前記金属基板上に形成されるネソケイ酸塩からなるベッド層と、
前記ベッド層上に、イオンビームアシスト蒸着法により形成される配向層と、を備え
前記金属基板と前記ベッド層の界面に、前記金属基板の構成元素の酸化物からなる基板表面層が形成されていることを特徴とする超電導線材用テープ基材。
A metal substrate;
A bed layer made of nesosilicate formed on the metal substrate;
An alignment layer formed by ion beam assisted deposition on the bed layer ,
A tape base material for a superconducting wire , wherein a substrate surface layer made of an oxide of a constituent element of the metal substrate is formed at an interface between the metal substrate and the bed layer .
前記ベッド層が、前記配向層の成膜工程で表面がアモルファス状となることを特徴とする請求項1に記載の超電導線材用テープ基材。   The tape substrate for a superconducting wire according to claim 1, wherein the bed layer has an amorphous surface in the step of forming the alignment layer. 前記基板表面層は、前記ベッド層を形成した後に所定の熱処理を施すことによ形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の超電導線材用テープ基材。 The substrate surface layer, a superconducting wire tape substrate according to claim 1 or 2, characterized in that it is formed Ri by the performing predetermined heat treatment after forming the bed layer. 前記ベッド層の膜厚が、10〜500nmであることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載の超電導線材用テープ基材。   4. The superconducting wire tape substrate according to claim 1, wherein the bed layer has a thickness of 10 to 500 nm. 5. 前記ベッド層は、ZrSiO、HfSiO、ThSiO、又はUSiOで構成されることを特徴とする請求項1から4の何れか一項に記載の超電導線材用テープ基材。 The bed layer, ZrSiO 4, HfSiO 4, ThSiO 4, or USiO superconducting wire tape substrate according to claim 1, any one of 4, characterized in that it is composed of 4. 前記配向層は、MgO、GZO、CeO、YSZ、又はNbOで構成されることを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の超電導線材用テープ基材。 The alignment layer, MgO, GZO, CeO 2, YSZ, or a superconducting wire tape substrate according to any one of claims 1 5, characterized in that it is composed of NbO. 前記配向層上に形成されるキャップ層を有することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の超電導線材用テープ基材。   It has a cap layer formed on the said orientation layer, The tape base material for superconducting wires as described in any one of Claim 1 to 6 characterized by the above-mentioned. 前記キャップ層は、CeO、YSZ、LaMnO、又はSrTiOで構成されることを特徴とする請求項7に記載の超電導線材用テープ基材。 The cap layer, CeO 2, YSZ, LaMnO 3 , or a superconducting wire tape substrate according to claim 7, characterized in that it is composed of SrTiO 3. 請求項1から8のいずれか一項に記載の超電導線材用テープ基材の表面に、超電導層を形成してなる超電導線材。   A superconducting wire formed by forming a superconducting layer on the surface of the tape substrate for a superconducting wire according to any one of claims 1 to 8.
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